胡中華，許 昕

（中國電子科技集團公司 第38研究所，合肥 230088）

無人飛行器采用三相同步交流發(fā)電機（硅整流發(fā)電機）作為供電主電源，先整流，再濾波，實現(xiàn)輸出符合精度要求的電壓[1]。其中，三相同步交流發(fā)電機有整體式和普通式2種，二者均由前端蓋、風扇、軸、定子、轉子、調(diào)節(jié)器組件等組成，其分解圖如圖1所示。

因發(fā)電機轉子由發(fā)動機通過皮帶驅動旋轉，而無人飛行器正常飛行時，受飛行高度、風向、風力等因素影響，發(fā)動機轉速變化范圍較大，發(fā)動機與發(fā)電機二者轉速比通常為1.7～3，故發(fā)電機轉子轉速變化范圍很大。在結構一定及磁場強度不變的條件下，發(fā)電機輸出電壓大小與發(fā)電機的轉速成正比，由此引起發(fā)電機的輸出電壓范圍大，難以滿足飛行器用電設備的工作電壓范圍要求。

圖1 交流發(fā)電機解體圖Fig.1 AC generator decomposition diagram

為使不同轉速下發(fā)電機電壓均能保持恒定輸出，滿足用電設備對輸入電壓范圍的限制，必須配套電壓調(diào)節(jié)器，穩(wěn)定發(fā)電機電壓輸出。電壓調(diào)節(jié)器把發(fā)電機輸出電壓控制在規(guī)定范圍內(nèi)，其功用是在發(fā)電機轉速變化時，自動控制發(fā)電機電壓保持恒定，使其不因發(fā)電機轉速高時電壓過高，以致燒壞機載用電設備（飛控機、測控電臺、高度表、導航、飛參和大氣機等）和導致應急蓄電池過充；也不會因發(fā)電機轉速稍低而輸出電壓不足，導致機載用電設備無法正常工作[2]。

1 電壓調(diào)節(jié)器的分類

1.1 按工作原理

電壓調(diào)節(jié)器按工作原理，分為觸點式電壓調(diào)節(jié)器和電子式電壓調(diào)節(jié)器。其中，電子式電壓調(diào)節(jié)器可分為晶體管調(diào)節(jié)器、集成電路調(diào)節(jié)器和電腦控制調(diào)節(jié)器3種。隨著電子技術的發(fā)展，目前交流發(fā)電機電壓調(diào)節(jié)器幾乎全部采用電子式調(diào)節(jié)。電子式調(diào)節(jié)具有精度高、無火花、重量輕、體積小、壽命長、可靠性高、電波干擾小等優(yōu)點[3-4]。具有代表性的2款調(diào)節(jié)器如圖2所示。

圖2 典型調(diào)節(jié)器實物照片F(xiàn)ig.2 Physical photo of typical regulators

1）觸點式調(diào)節(jié)器 觸點式調(diào)節(jié)器分為單級和雙級。其基本原理是根據(jù)反饋電壓信號控制活動觸點，調(diào)節(jié)勵磁線圈上的串聯(lián)電阻值。當電壓高于調(diào)節(jié)電壓值時，調(diào)節(jié)串聯(lián)電阻變大，反之則減小，從而調(diào)節(jié)勵磁電流，達到調(diào)壓的目的。

2）晶體管調(diào)節(jié)器/集成電路調(diào)節(jié)器 晶體管調(diào)節(jié)器的工作原理與集成電路調(diào)節(jié)器的相同，均通過穩(wěn)壓管感應發(fā)電機的輸出電壓信號控制開關管，實現(xiàn)控制發(fā)電機的勵磁電流，從而使發(fā)電機輸出電壓保持恒定。

二者的區(qū)別在于，集成電路調(diào)節(jié)器將晶體管調(diào)節(jié)電路的若干元件集成在同一芯片上。晶體管調(diào)節(jié)器通常使用發(fā)電機指定調(diào)節(jié)器，若采用代替型號，需確保標稱電壓和搭鐵形式與原有型號一致，否則發(fā)電機可能因勵磁電路不同而不能正常調(diào)壓[5]。集成電路調(diào)節(jié)器除具有晶體管調(diào)節(jié)器的優(yōu)點外，還具有超小型化、內(nèi)裝式、重量輕、冷卻效果好等優(yōu)點，減少了外接線（通常 2～3 根）[6-7]。

3）數(shù)字調(diào)節(jié)器 該調(diào)節(jié)器工作原理是電壓傳感器測量的同步發(fā)電機輸出電壓與電壓基準值進行比較，根據(jù)二者的偏差，基于一定的控制算法，由CPU產(chǎn)生PWM波脈沖寬度占空比控制IGBT功率主回路輸出，從而改變勵磁線圈電流，達到縮小發(fā)電機電壓偏差，實現(xiàn)穩(wěn)壓的目的[8]。

1.2 按搭鐵類型

電子調(diào)節(jié)器按交流發(fā)電機搭鐵類型分為內(nèi)搭鐵型和外搭鐵型2種，分別適用于內(nèi)搭鐵型交流發(fā)電機、外搭鐵型交流發(fā)電機。

晶體管調(diào)節(jié)器最好使用指定調(diào)節(jié)器，如采用其他型號替代，除標稱電壓、功率等規(guī)定參數(shù)與原調(diào)節(jié)器相同外，搭鐵形式也必須相同，否則發(fā)電機可能因勵磁電路不通而無法正常工作。

2 電壓調(diào)節(jié)器的調(diào)壓原理

交流發(fā)電機的三相繞組產(chǎn)生的相電動勢有效值為 Eφ=CeФn（式中 Ce為發(fā)電機的結構常數(shù)；n為轉子轉速；Ф為轉子的磁極磁通），即交流發(fā)電機感應電動勢與轉子轉速和磁極磁通成正比。發(fā)電機的轉速隨工況變化在不停改變，若維持Eφ恒定，需要調(diào)節(jié)Ф，而Ф與勵磁電流成正比，因此需要調(diào)節(jié)勵磁電流。

故交流發(fā)電機電壓調(diào)節(jié)器的調(diào)壓原理是：當發(fā)電機轉速升高時，調(diào)節(jié)器減小發(fā)電機勵磁電流以減小Ф，使發(fā)電機的輸出電壓Eφ保持不變；當發(fā)電機的轉速降低時，調(diào)節(jié)器增大發(fā)電機勵磁電流來增加Ф，使發(fā)電機的Eφ保持不變。

調(diào)節(jié)勵磁的方式主要有2種（見表1），一種是勵磁電流時大時小（大小控制），另一種是勵磁電流時有時無 （開/關控制）。觸點式電壓調(diào)節(jié)器采用后者，而電子調(diào)節(jié)器采用前者。

表1 勵磁調(diào)節(jié)方式Tab.1 Excitation regulation mode

3 電子調(diào)節(jié)器電路的工作原理

在此，分別以外搭鐵晶體管、內(nèi)搭鐵晶體管、數(shù)字調(diào)節(jié)器為例，介紹電子調(diào)節(jié)器的工作原理。其它類型的工作原理并無本質區(qū)別[9]。

3.1 外搭鐵型

外搭鐵型晶體管電子調(diào)節(jié)器雖型式多樣，但基本工作原理均如圖3所示。

圖3 外搭鐵型晶體管電子調(diào)節(jié)器原理Fig.3 Schematic diagram of transistor electronic regulator for external lap iron

圖中，當轉速高時電壓高，穩(wěn)壓二極管擊穿，三極管VT1導通，三極管VT2截止，轉子勵磁線圈斷電，轉子磁場強度降低，電壓降低，續(xù)流二極管VD對轉子線圈保護；轉速低時電壓低，穩(wěn)壓二極管截止，三極管VT1截止，三極管VT2導通，轉子激磁線圈通電，轉子磁場強度較強，電壓升高。

3.2 內(nèi)搭鐵型

內(nèi)搭鐵型晶體管電子調(diào)節(jié)器電路如圖4所示，勵磁線圈介于晶體管與搭鐵之間。

圖4 內(nèi)搭鐵型晶體管調(diào)節(jié)器原理Fig.4 Schematic diagram of transistor electronic regulator for internal lap iron

3.3 數(shù)字調(diào)節(jié)器

數(shù)字調(diào)節(jié)器的工作原理（如圖5所示），是勵磁系統(tǒng)在不加外勵磁的情況下進行剩磁直接啟動，若啟動不成功則投入外加啟勵電源，通常外加勵磁時間維持2～3 s，自動斷開；如仍然未發(fā)電，可再次外加勵磁。運行過程中，調(diào)節(jié)器CPU根據(jù)A/D變換器采集發(fā)電機電壓，通過PWM模塊控制開關管導通時間，實現(xiàn)對反復調(diào)節(jié)勵磁線圈的導通時間，實現(xiàn)控制勵磁電流大小，穩(wěn)定輸出端電壓，形成閉環(huán)勵磁調(diào)節(jié)系統(tǒng)。

圖5 內(nèi)搭鐵型數(shù)字調(diào)節(jié)器原理Fig.5 Schematic diagram of digital regulator for internal lap iron

4 充電指示燈控制電路

4.1 故障報警燈

無人飛行器主電源為機載用電設備進行供電，其狀態(tài)直接影響到飛機的安全性。因此，設置監(jiān)測和顯示發(fā)電機與調(diào)節(jié)器的工作狀態(tài)指示燈（地面調(diào)試用）和故障報警信號是必不可少的。

故障報警燈安裝在機載配電盒面板上，僅限于地面調(diào)試時觀察使用，在空中飛行狀態(tài)下，將該信號發(fā)送給飛控機，并借助鏈路傳送地面，以便及時掌握發(fā)電機工作狀態(tài)，必要時啟動應急飛行模式。

4.2 指示燈監(jiān)測原理

指示燈按監(jiān)測原理，分為以下2種（見表2）：

1）中性點電壓控制 發(fā)電機N點的直流輸出電壓的電壓控制通過繼電器或開關管實現(xiàn)故障報。

2）二極管端輸出電壓控制 通過對比蓄電池端與二極管端的電壓，進行做差，以控制故障指示燈。

表2 充電指示燈點亮方式Tab.2 Lighting mode of charging indicator

5 應用實例

某型交流發(fā)電機AC×××RA 28V，專用調(diào)壓器型號為605-×，負責完成發(fā)電機勵磁調(diào)壓，典型應用可分為無電池應用和有電池應用2類。發(fā)電機引線端子分別為 B+，B-，L，WL，N，引線設置見表 3。

5.1 AC×××RA無電池應用

無電池應用是指發(fā)電機不需要對蓄電池進行充電，此時需要外接電容組件對整流后的直流進行濾波。勵磁系統(tǒng)首先用同步發(fā)電機剩磁啟動，若啟動不成功投入啟勵電源（他勵），機端電壓達到65%額定值時，斷開啟勵回路。AC×××RA無電池應用電路如圖6所示。圖中，蓄電池作為啟勵電源，提供初始勵磁，由于電容組件中二極管的隔離，發(fā)電機直流輸出不能對蓄電池充電。開關S1實現(xiàn)對發(fā)電機勵磁的開關控制，達到激磁和滅磁的作用。

表3 某型交流發(fā)電機AC×××RA接線端定義Tab.3 Definition of AC×××RA connection terminal for a certain type of alternator

圖6 AC×××RA無電池應用電路Fig.6 Circuit for AC×××RA without battery generator

5.2 AC×××RA有電池應用

AC×××RA有電池應用電路如圖7所示。無電池應用時，通常沒有電容組件，因為電池可以起到平滑濾波作用，所以省去電容組件。開關S1實現(xiàn)對發(fā)電機勵磁的開關控制。

圖7 AC×××RA有電池應用電路Fig.7 Circuit diagram for AC×××RA with battery generator

DS1位充電指示燈，又稱故障報警燈。當發(fā)電機工作正常時DS1熄滅；當發(fā)電機故障時DS1點亮。初始工作時開關閉合S1，指示燈亮 （此時不代表故障），轉子勵磁，發(fā)電機開始發(fā)電，發(fā)電機建壓后指示燈熄滅。

5.3 介于二者之間的特殊應用

如圖6所示，AC×××RA發(fā)電機無電池典型應用時沒有故障報警指示燈報警，是因為廠家認為在無電池的情況下不需要對電池進行充電，因此沒有必要將L調(diào)節(jié)器L端引出來。

在實際應用中，往往還需要對發(fā)電機狀態(tài)進行監(jiān)控，通過指示燈報警，同時將故障信號發(fā)送給控制器，以便控制器做出判斷，決定是否進入應急狀態(tài)。為此，需要將調(diào)節(jié)器L端子引出，AC×××RA發(fā)電機無電池典型應用具體如圖8所示；為防止蓄電池對發(fā)電機反流，串入1個防反二極管。

圖8 AC×××RA發(fā)電機無電池典型應用Fig.8 Typical application of AC×××RA generator without battery

6 結語

文中針對無人機機載電氣系統(tǒng)，研究了以交流發(fā)電機整流輸出作為主電源的電壓調(diào)節(jié)器的作用及工作原理，并對具體使用的發(fā)電機有電池但不需要充電的情況，進行了討論，給出了針對該問題的實用電路，從而為采用該類型發(fā)電機作為主電源的飛行器及其它飛行器電源系統(tǒng)設計提供了借鑒。